(57)【要約】【課題】  簡素な構成で、燃料電池の状態に応じて適切な空気供給を行い、補機の消費電力を低減することが可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】  水素と空気に含まれる酸素を電気化学反応させて発電する燃料電池１と、燃料電池１の空気極に空気を供給する空気供給手段６と、空気供給手段６による空気供給量を制御する制御手段１３と、燃料電池１の空気極から排出される排気ガスの酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段７とを備え、制御手段１３は、酸素濃度検出手段７で検出した酸素濃度が所定範囲内になるように、空気供給手段６による燃料電池１への空気供給量を制御する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素と空気に含まれる酸素を電気化学反応させて発電する燃料電池（１）と、
前記燃料電池（１）の空気極に空気を供給する空気供給手段（６）と、
前記空気供給手段（６）による空気供給量を制御する制御手段（１３）と、
前記燃料電池（１）の空気極から排出される排気ガスの酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段（７）とを備え、
前記制御手段（１３）は、前記酸素濃度検出手段（７）で検出した酸素濃度が所定範囲内になるように、前記空気供給手段（６）による前記燃料電池（１）への空気供給量を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
水素と空気に含まれる酸素を電気化学反応させて発電する燃料電池（１）と、
前記燃料電池（１）の空気極に空気を供給する空気供給手段（６）と、
前記空気供給手段（６）による空気供給量を制御する制御手段（１３）と、
前記燃料電池（１）の空気極から排出される排気ガスの酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段（７）とを備え、
前記制御手段（１３）は、前記燃料電池（１）に対する要求電力に基づいて前記燃料電池（１）への空気供給量を算出するとともに、前記酸素濃度検出手段（７）で検出した酸素濃度に基づいて前記空気供給量を補正することを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギーを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及びポータブル発電機等の移動体用発電機に適用して有効である。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システム全体の効率を向上させるためには、燃料電池の発電に必要となる補機による損失を低減することが効果がある。特にブロワやコンプレッサ等の空気供給装置は消費電力が大きいので、この空気供給装置の消費電力を低減することが有効である。しかしながら、通常の燃料電池システムでは、燃料電池の状態に関係なく、予め定められたマップに基づいて燃料電池に過剰に空気を供給しているため、空気供給装置の消費電力が大きくなってしまっている。
【０００３】
このような問題を解決するために、燃料電池の状態に応じて燃料電池の供給空気量の最適化を図る燃料電池制御システムが提案されている（特許文献１参照）。この燃料電池制御システムでは、燃料電池の出力電流および出力電圧から適正ストイキ比を算出し、燃料電池に適切な空気供給を行うように構成されている。
【特許文献１】特開２００４−２７３１６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１のように、燃料電池の出力電流および出力電圧等から燃料電池の状態を推測する構成では、システムが複雑となる。また、燃料電池の出力電圧は、燃料電池の状態変化により急激に変化するので、燃料電池の出力電圧が変化してからでは、空気供給制御が燃料電池の状態変化に間に合わない可能性がある。
【０００５】
本発明は上記点に鑑み、簡素な構成で、燃料電池の状態に応じて適切な空気供給を行い、補機の消費電力を低減することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明は以下の各手段を採用している。
【０００７】
本発明の第１の特徴は、水素と空気に含まれる酸素を電気化学反応させて発電する燃料電池（１）と、燃料電池（１）の空気極に空気を供給する空気供給手段（６）と、空気供給手段（６）による空気供給量を制御する制御手段（１３）と、燃料電池（１）の空気極から排出される排気ガスの酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段（７）とを備え、制御手段（１３）は、酸素濃度検出手段（７）で検出した酸素濃度が所定範囲内になるように、空気供給手段（６）による燃料電池（１）への空気供給量を制御することである。
【０００８】
以上のように、排出酸素濃度が所定範囲内となるように空気供給量を制御することで、常に最適な空気供給量で燃料電池（１）に空気供給を行うことができる。これにより、簡素な構成で、燃料電池（１）の状態に応じて適切な空気供給を行うことができ、空気供給手段（６）により燃料電池（１）に必要以上の空気を供給すること防止できる。この結果、補機動力を低減することができ、燃料電池システム全体の効率を向上させることができる。
【０００９】
本発明の第２の特徴は、制御手段（１３）は、燃料電池（１）に対する要求電力に基づいて燃料電池（１）への空気供給量を算出するとともに、酸素濃度検出手段（７）で検出した酸素濃度に基づいて空気供給量を補正することである。これにより、燃料電池（１）の状態によらず、常に空気供給量を最適に制御することができる。
【００１０】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を図１〜図３に基づいて説明する。本実施形態は、燃料電池システムを、燃料電池を電源として走行する電気自動車（燃料電池車両）に適用したものである。
【００１２】
図１は、本実施形態の燃料電池システムの全体構成を示している。図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池（ＦＣスタック）１を備えている。
【００１３】
本実施形態では燃料電池１として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となるセルが複数積層されて構成されている。各セルは、電解質膜が水素極（アノード）と酸素極（カソード）で挟まれた構成となっている。燃料電池１では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギーが発生する。
【００１４】
（水素極側）  Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
（酸素極側）  ２Ｈ+＋１／２Ｏ2＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ
燃料電池１は、車両走行用モータ、二次電池等の電力機器２に電力を供給するように構成されている。燃料電池システムには、燃料電池１の発電電流を検出する電流センサ３が設けられている。
【００１５】
燃料電池１の酸素極側に空気（酸化剤ガス）を供給するための空気経路４には、上流側から、空気流量を測定するエアフローメータ５と、空気圧送用の圧縮機６が設けられている。空気経路４における燃料電池１の下流側には、燃料電池１から未反応酸素を含んで排出される排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサ（Ｏ２センサ）７と、空気経路４を開閉して空気背圧を調整する空気背圧弁８が設けられている。なお、圧縮機６が本発明の空気供給手段に相当し、酸素濃度センサ７が本発明の酸素濃度検出手段に相当している。
【００１６】
燃料電池１の水素極側に水素（燃料ガス）を供給するための水素経路９には、水素ガスが充填された水素ボンベ１０が設けられている。水素経路９には、図示を省略しているが、水素ボンベ１０を開閉する開閉弁、燃料電池１に供給される水素の圧力を調整するレギュレータ等が設けられている。
【００１７】
水素経路９における燃料電池１の下流側は、燃料電池１から排出される未反応水素を含むオフガスを燃料電池１に再循環させるためのオフガス循環経路１１となっている。水素循環経路１１には、オフガスを循環させるためのオフガス循環ポンプ１２が設けられている。
【００１８】
燃料電池システムには、各種制御を行う制御部（ＥＣＵ）１３が設けられている。制御部１３は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏなどを備えた周知のマイクロコンピュータによって構成され、ＲＯＭなどに記憶されたプログラムに従って各種演算などの処理を実行する。制御部１３には、電力機器２からの電力要求信号、電流センサ３からの電流信号、エアフローメータ５からの空気流量信号、酸素濃度センサ７からの酸素濃度信号等が入力される。また、制御部１３は、圧縮機６、背圧弁８、オフガス循環ポンプ１２等に制御信号を出力するように構成されている。なお、制御部１３が本発明の制御手段に相当している。
【００１９】
図２は、燃料電池１から排出される排気ガス中の酸素濃度と燃料電池セルの電圧との関係を示している。図２に示すように、排気ガス中の酸素濃度が所定値を下回ると、燃料電池セルの電圧が急激に低下する。図２に示す例では、排気ガス中の酸素濃度が約６％を下回る領域で、燃料電池セルの電圧の急激な低下が見られる。
【００２０】
このため、すべての燃料電池セルの電圧が急激に低下しない酸素濃度の下限値を予め実験的に求めておき、排気ガス中の酸素濃度が予め設定した下限値を下回らないように制御すればよい。また、排気ガス中の酸素濃度を予め設定した下限値に近づけることで、燃料電池１に必要以上の空気を供給することを回避できる。排気ガス中の酸素濃度の制御目標値は任意に設定することができ、本実施形態では７〜８％の範囲内に設定している。
【００２１】
次に、本実施形態の燃料電池システムの空気供給制御を図３に基づいて説明する。図３は、燃料電池システムの空気供給制御を示すフローチャートであり、制御部１３のＣＰＵがＲＯＭに格納された制御プログラムにしたがって行う処理を示している。
【００２２】
まず、電力機器２からの燃料電池１への要求電力を取得する（Ｓ１０）。次に、要求電力から燃料電池１への空気供給量を算出する（Ｓ１１）。空気供給量は、燃料電池１の出力電流から一義的に算出することができる。そして、圧縮機６によりＳ１１で算出した空気供給量で燃料電池１に空気を供給する（Ｓ１２）。
【００２３】
次に、酸素濃度センサ７で燃料電池１の排気ガス中の酸素濃度を検出する（Ｓ１３）。そして、検出した酸素濃度に基づいて燃料電池１への空気供給量の補正を行う（Ｓ１４）。この空気供給量の補正は、酸素濃度が予め設定した制御目標値の範囲に入るように行う。具体的には、検出した酸素濃度が制御目標値より低い場合は、燃料電池１への空気供給量が不足していると考えられるので、空気供給量を増加させ、検出した酸素濃度が制御目標値より高い場合は、燃料電池１への空気供給量が過剰であると考えられるので、空気供給量を減少させる。そして、圧縮機６により補正した空気供給量で燃料電池１に空気を供給する（Ｓ１５）。
【００２４】
以上のように、燃料電池１の排気ガス中の酸素濃度を監視し、排気ガス中の酸素濃度が定められた値となるように空気供給量を制御することで、簡易な構成で燃料電池１の状態に応じて燃料電池１への空気供給量を常に最適にすることができる。これにより、圧縮機６により燃料電池１に必要以上の空気を供給することを防止できるので、補機動力を低減することができ、燃料電池システム全体の効率を向上させることができる。また、燃料電池１への空気供給量が不足することを防止でき、燃料電池セルの電圧が低下することを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】上記実施形態の燃料電池システムの概念図である。
【図２】燃料電池の排気ガス中の酸素濃度と燃料電池セルの電圧との関係を示す特性図である。
【図３】燃料電池システムの空気供給制御を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００２６】
１…燃料電池、４…空気経路、６…圧縮機、７…酸素濃度センサ、９…水素経路、１０…水素ボンベ、１３…制御部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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